雙臺子河口淺海相粉土承載力特征＊

陶常飛,亓發(fā)慶,劉燕平,鞠春雨,曲 偉,安丙杜,王方旗

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島 266061;

2.中油遼河油田分公司海洋石油勘探項(xiàng)目管理部,遼寧盤錦 124010)

1 研究區(qū)概況

遼河是我國七大江河之一,位于東北地區(qū)南部,發(fā)源于河北省七老圖山脈光頭嶺,流經(jīng)河北、內(nèi)蒙、吉林、遼寧四省區(qū),在遼寧臺安縣六間房分為2股,一是六間房至三岔河稱外遼河,同渾河、太子河匯合稱大遼河,從營口入海,另外一股經(jīng)盤山縣匯入遼東灣,即稱雙臺子河。雙臺子河口海域蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源,它是渤海灣復(fù)式油氣區(qū)的組成部分,也是我國第三大油田—遼河油田海上油氣主產(chǎn)區(qū)。

研究區(qū)位于遼東灣北部的雙臺子河口(圖1),平均潮差2.7 m,屬中等潮差的河口區(qū)域內(nèi)[1]。海底地形復(fù)雜多變,在徑流、波浪、潮流等因素作用下,廣泛發(fā)育潮溝、淺灘,且蝕淤變化劇烈。淺部地層以粉土為主,物理力學(xué)性質(zhì)、顆粒組分復(fù)雜多變,工程地質(zhì)特征差異大,埋深多在10m以淺,屬海洋工程設(shè)計(jì)、鉆井平臺就位的敏感層位。

2 粉土地層特征

粉土是指塑性指數(shù)I p≤10且粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過全重50%的土,其性質(zhì)介于砂土與粘性土之間。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location o f the studied area

全新世海侵以來,研究區(qū)內(nèi)在古三角洲沙體上沉積了淺海相與潮灘相兩套地層(圖2)。淺海相地層以粉土為主,主要粒度組分為粉砂和粘土,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33.5%～63.4%和19.2%～53.8%,平均粒徑 M z為5.7～7.0Φ,標(biāo)準(zhǔn)偏差σ1為1.7～2.7,分選差到很差。粒度累積百分曲線為二段,懸浮組分占70%以上,表現(xiàn)出懸浮荷載搬運(yùn)特征[2]。淺海相(B層)粉土聲學(xué)反射以雜亂、波狀層理為主,反射能量較弱,與上覆潮灘相沉積界限為一不整合面,界限清晰,鉆孔H 2埋深6.0m處存在一貝殼層,是潮灘相與淺海相的分層標(biāo)志。層內(nèi)反射在水平以及垂直方向上分布不均勻,其上部可見細(xì)微波狀反射,下部則呈雜亂反射。該地層物質(zhì)組分以及聲學(xué)圖像皆反映出物源、水動(dòng)力條件相對穩(wěn)定的淺海環(huán)境。

圖2 雙臺子河口典型地層聲學(xué)反射圖像Fig.2 A typical sub-bottom acoustic reflection p ro file in ShuangtaiziRiver esturay

3 工程案例分析

2010年8月,在雙臺子河口完成一工程地質(zhì)鉆孔H2(位置見圖1),蓋州灘西側(cè)隨后某型號自升式鉆井平臺就位進(jìn)行鉆井作業(yè)。根據(jù)樁基承載力公式計(jì)算,孔深5.6 m處粉土承載力可滿足該平臺單樁極限承載力29MN的荷載要求,但實(shí)際插樁深度分別為7.8,8.3和6.3m,與計(jì)算結(jié)果存在較大出入。

3.1 鉆孔粉土物理力學(xué)特征

在遼河口鉆孔H 2中分別與埋深6.0,7.0和9.0 m處取得a,b和c 3個(gè)粉土原狀土樣,并對其進(jìn)行物理力學(xué)測試。試驗(yàn)結(jié)果顯示,不同深度處粉土含水量、孔隙比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、顆粒組分均存在明顯差異(見表1)。

表1 土樣主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Themechanical parameters for the silt samp les

由上述數(shù)據(jù)可以看出,力學(xué)性質(zhì)總體表現(xiàn)為上部軟弱,下部變硬,但含水量、孔隙比等參數(shù)與深度無明顯的相關(guān)性。同屬于淺海相地層,主要物理力學(xué)性質(zhì)在垂向上存在反復(fù)性、多變性,因此,準(zhǔn)確確定其承載力以及樁基礎(chǔ)的持力層存在一定難度(見圖3)。

圖3 土樣壓縮曲線Fig.3 The comp ression curves for the silt sam ples

3.2 樁基承載力計(jì)算

海洋石油鉆井平臺樁基承載力計(jì)算一般采用美國石油學(xué)會(huì)(API)的推薦算法,計(jì)算公式如下：

式中,Q f為樁腳極限側(cè)摩阻力(kN);Q p為極限樁端阻力(kN);q為樁腳的單位面積極限承載力(kPa);f為側(cè)壁摩阻力(kN);V為樁靴排開土的體積;γ為樁靴排開土的平均有效重度(kN?m-3)。

在鉆孔處作業(yè)平臺為自升式鉆井平臺,3條樁腿,樁端具正八邊形樁靴,樁靴底面積為70m2,單樁極限荷載為29MN。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及API中推薦設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算得在鉆孔處5.6 m處,粉土承載力可滿足鉆井平臺單樁極限承載力要求。而鉆井平臺在鉆孔處實(shí)際插樁深度為7.8,8.3和6.3 m,與計(jì)算結(jié)果偏差較大。

綜合分析土工試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場原位測試數(shù)據(jù),將土樣a,b所處土層歸為粘性土,采用粘性土承載力公式計(jì)算,土樣c代表的下部土層在將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后仍按照非粘性土進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算插樁深度為7.6m,與實(shí)際插樁深度吻合較好[3]。

3.3 分析討論

1)API推薦設(shè)計(jì)參數(shù)中將粉土列為非粘性土,與砂土共用同一算法。粉土是介于砂土與粘性土之間的一類土,它的定義僅從塑性指數(shù)與粉粒含量做了簡單界定,這就決定了各粒組之間組合的寬泛性。以本文所提及的a,b和c 3個(gè)土樣為例,依照國標(biāo)巖土工程勘察規(guī)范,3個(gè)土樣皆為粉土,若依照海洋地質(zhì)調(diào)查規(guī)范,a,b可命名為砂質(zhì)粉砂,c則為粉砂質(zhì)砂。由此可見,同是粉土,由于其物質(zhì)成分差異較大,土體的力學(xué)性質(zhì)相應(yīng)的也存在變化。

2)末次冰期以來,海平面持續(xù)上升,大約在8.5 ka B.P.左右,海水侵入渤海和遼東灣;約在7 ka B.P.左右海水淹沒到最大范圍,沉積了全新統(tǒng)第一海相層,即為本區(qū)的粉土層[4]。

由土樣室內(nèi)測試結(jié)果可以看出,土樣b含水量、孔隙比高于土樣a,c,這可能與沉積物沉積速率有關(guān),即土樣c所代表的粉土層下部沉積過程中海平面相對穩(wěn)定,沉積歷時(shí)較長,沉積物在波浪、自重等荷載作用下發(fā)生排水固結(jié),因此,土樣c含水量、孔隙比較低;之后隨著海平面快速上升,沉積物沉積速率加快,未經(jīng)歷充分的排水固結(jié)過程即被新的沉積物所覆蓋;隨著海平面上升速率的降低以及入海泥沙量增大,沉積物快速加積,最終形成了土樣a代表的粉土層上部地層。Liu&M illiman根據(jù)黃海資料,擬定了一個(gè)海平面階梯式上升的觀點(diǎn),指出14～12 ka、11～10 ka及7 ka以后存在海平面上升停滯期[5],這也與上述觀點(diǎn)相吻合。

3)樁基承載力計(jì)算過程中主要用到的參數(shù)為內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,有3個(gè)土樣測試結(jié)果可以看出,內(nèi)摩擦角介于28.4°～33.7°之間,若采用該值進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果明顯偏高。根據(jù)現(xiàn)場SPT試驗(yàn)結(jié)果,土樣a,b代表的土體力學(xué)強(qiáng)度明顯小于土樣c代表的下部土體,且上部土體在外部荷載下更多的表現(xiàn)出塑性變形的粘性土特征。而土樣采用直接剪切試驗(yàn)進(jìn)行測試,土樣在測試過程中處于側(cè)限環(huán)境下,與其原位環(huán)境差異較大,故得到的測試結(jié)果較原位強(qiáng)度要高。因此,如果計(jì)算參數(shù)直接選用試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況存在較大偏差。在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)綜合考慮,含水量、孔隙比等參數(shù)以及測試方式等因素的影響,參照現(xiàn)場原位測試結(jié)果,對土體按力學(xué)性質(zhì)差異分層計(jì)算,以期能得到較好的計(jì)算結(jié)果。

4)淺海相上界面在接受潮灘相沉積時(shí)遭受波浪、潮流等因素沖刷改造,原始海底地形變化較大,沉積物物理力學(xué)性質(zhì)在平面上分布不均,致使海洋鉆井平臺不同樁腿最終入泥深度不同。因此,在海洋工程勘察過程中,尤其是在近岸河口等地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域,應(yīng)加強(qiáng)淺地層剖面解譯工作,盡量準(zhǔn)確還原真實(shí)地層結(jié)構(gòu),防止海洋工程事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

1)雙臺子河口沉積物物源豐富,水動(dòng)力環(huán)境較弱,沉積物的快速堆積,導(dǎo)致沉積物力學(xué)強(qiáng)度低,承載力小,對海洋工程設(shè)計(jì)、施工存在不利影響。

2)研究區(qū)內(nèi)淺海相粉土層因海平面、物質(zhì)來源的變化,在垂向上力學(xué)性質(zhì)不均勻。上部軟弱土體雖在物理力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為粉土,但是其原位變形特征則主要體現(xiàn)為塑性變形特征。因此,在參數(shù)選取、計(jì)算方法選擇過程中,應(yīng)參考原位測試數(shù)據(jù)確定。

3)聲學(xué)地層剖面探測是揭露地層結(jié)構(gòu)的有效手段,尤其是對近岸河口等地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的的區(qū)域,應(yīng)重視聲學(xué)地層探測在海洋工程勘察中的作用,防止海洋工程事故發(fā)生。

[1] 中國海灣志編纂委員會(huì).中國海灣志(第十四分冊：重要河口)[M].北京：海洋出版社,1998：432-450.

[2] 朱龍海,吳建政,亓發(fā)慶.現(xiàn)代遼河三角洲潮流沉積[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2007,27(2)：17-22.

[3] 陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)(第四版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004：62-63.

[4] 楊子賡.海洋地質(zhì)學(xué)[M].山東：山東教育出版社,2004：308-313.

[5] LIU J P,M ILLIMAN JD,GAO S.The Shandong mud wedge and post-glacial sediment accumu lation in the Yellow Sea[J].Geo-M arine Letters,2002,21：212-218.